햅틱 피드백을 위해 압전 소자 활용

햅틱이란 용어는 '파악하다' 또는 '지각하다'라는 의미의 그리스어에서 유래되었으며 엔지니어링 분야에서는 터치 감각을 활용하는 기술을 가리킵니다. 전자 시스템에서 햅틱은 일반적으로 인간 기계 간 상호 작용을 개선하기 위해 장치에 통합된 힘 또는 촉각 피드백 메커니즘을 설명하는 데 사용됩니다.

엔지니어링 관점에서 햅틱 피드백은 일반적으로 제어된 진동, 운동 또는 힘을 생성하는 기계적 액추에이터를 통해 실현됩니다. ERM(편심 회전 질량) 모터, LRA(선형 공진 액추에이터), 압전 소자를 포괄하는 이러한 액추에이터는 압력, 무게, 표면 텍스처 같은 실제 물리적 감각을 시뮬레이션합니다. 햅틱은 촉각 양식 통합을 통해 시각적 및 청각적 신호를 보완하여 보다 직관적이고 응답성이 뛰어난 디지털 인터페이스를 실현할 수 있습니다. 이는 특히 가상 객체 조작을 비롯하여 정밀한 입력 검증 또는 몰입적인 사용자 경험이 필요한 응용 분야에 중요합니다.

향상된 상호 작용에 대한 수요가 증가함에 따라 여러 분야에 걸친 햅틱 기술의 도입이 가속화되고 있습니다. 가전 제품의 게임 컨트롤러 및 터치 스크린부터 자동차 대시보드의 피드백 지원 컨트롤 및 건강 분야의 수술 시뮬레이션에 이르기까지, 햅틱은 사용자 경험과 시스템 기능 모두에서 주요 요소로 자리잡고 있습니다. 이 기사에서는 기본 기술과 햅틱에 압전 소자를 사용할 때의 이점을 비롯하여 햅틱 피드백에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

일반적인 햅틱 액추에이터 기술

햅틱 액추에이터는 전기 에너지를 기계적 움직임으로 변환하여 진동, 변위, 압력 등의 촉감을 생성하는 전자 기계식 트랜스듀서입니다. 이러한 액추에이터는 햅틱 피드백 시스템의 기능 코어 역할을 수행하여 사용자 인터페이스에서 정밀한 물리적 반응을 실현합니다.

햅틱 시스템에는 다음과 같이 여러 작동 기술이 사용되며, 각각 고유한 작동 원리와 성능 특성을 가집니다.

• 압전 액추에이터 - 적용된 전기장에 반응하여 기계적으로 변형 및 진동하는 압전 소자를 활용하여, 고주파, 저변위 피드백, 낮은 대기 시간을 제공합니다. Same Sky의 압전 소자 라인업을 참조하세요.
• ERM(편심 회전 질량) 모터 - DC 모터 샤프트에 실장된 오프센터 질량으로 구성됩니다. 구동 시 불균형 부하의 회전으로 일반적으로 더 낮은 주파수에서 진동력이 생성됩니다. 이는 모바일 장치 및 저가형 응용 제품에서 일반적으로 사용됩니다.
• EAP(전기 활성 고분자) 액추에이터 - 전기장에서 팽창 또는 수축하는 유전체 고분자를 사용합니다. 이러한 재료는 매끄럽고 유연한 움직임 프로파일을 생성할 수 있지만 종종 높은 구동 전압을 요구합니다.
• LRA(선형 공진 액추에이터) - 교류 자기장을 사용하여 단일 축을 따라 자기성 질량을 구동하여 작동합니다. 공진 주파수에 맞게 조정될 경우 ERM보다 더 빠른 응답 시간으로 보다 효율적인 방향성 피드백을 제공할 수 있습니다.
• VCA(음성 코일 액추에이터) - 로렌츠 힘의 원리를 사용하여 자기장에 부유된 코일이 전류에 따라 선형으로 이동합니다. VCA는 넓은 대역폭 작동과, 진폭 및 주파수에 대한 정밀한 제어를 제공합니다.

각각의 액추에이터 유형은 주파수 응답, 전력 효율, 통합 복잡성, 피드백 충실도 측면에서 상충되는 장단점이 있습니다. 웨어러블 장치의 미묘한 촉각 신호, AR/VR 인터페이스의 몰입형 햅틱 또는 자동차 터치 스크린의 강력한 피드백 등의 대상 응용 분야에 따라 액추에이터 유형 선택이 달라집니다.

햅틱 피드백의 압전 소자 기본 사항

압전 효과는 기계적 응력을 받을 때 특정 재료에 전하가 발생하는 것을 의미합니다. 중요한 것은 이 현상이 가역적이라는 것입니다. 즉, 이러한 재료에 전기장이 인가되면 측정 가능한 기계적 변형이 발생합니다. 이 가역적 속성은 햅틱 피드백 시스템에 사용되는 압전 액추에이터의 작동에 기본이 됩니다.

햅틱 응용 분야에서, 압전 소자는 대개 역 효과에 의해 구동되어 입력 전압에 따라 마이크로 수준의 변위 또는 진동을 생성합니다. 이러한 소자는 양방향 특성으로 인해 힘 또는 압력 센서로도 구성할 수 있어, 터치 감지 인터페이스 또는 폐쇄 루프 시스템으로의 이중 기능 통합이 가능합니다.

일반적인 액추에이터 구성 중 하나는 압전 벤더로, 반대 극성을 가진 두 개의 압전 층이 접합되어 구성됩니다. 전압이 인가되면 한 층은 팽창하고 다른 층은 수축하여 구부러진 구조가 생성됩니다. 이러한 휨 변위는 높은 정밀도와 국소적인 이동이 필요한 응용 분야에 적합합니다.

반대로 다층 압전 소자는 수 많은 얇은 압전 층을 병렬로 적층하므로, 작동 전압을 줄이면서 기계적 출력을 크게 향상시킵니다. 이러한 구조는 더 큰 힘이나 변위가 요구되는 경우, 예를 들어 대형 햅틱 표면이나 전압 여유가 제한된 저전력 임베디드 시스템에서 유리합니다.

압전 소자의 굴절 진폭은 입력 신호에 정비례하므로, 정지 포지셔닝과 동적 진동 프로파일 모두에 대해 매우 정밀한 제어가 가능합니다. 여러 다른 액추에이터 유형과 달리, 압전 소자는 위치와 진폭을 독립적으로 미세하게 조절할 수 있어, 신호의 미세한 차이나 인코딩된 피드백이 중요한 응용 분야에 적합합니다.

그림 1: 압전 소자의 '굽힘'(이미지 출처: Same Sky)

햅틱 설계에서 압전 소자의 이점

햅틱 피드백 시스템에 사용되는 압전 소자는 역 압전 효과를 활용하여 강력하고 신속한 기계적 변위를 생성합니다. 내재된 재료 속성을 통해 응답 시간이 대개 1밀리초에 불과하므로, 최소한의 대기 시간으로 실시간 촉각 피드백을 실현할 수 있으며 이는 높은 정밀도와 즉각적인 사용자 응답을 요구하는 응용 분야에 매우 중요합니다.

질량 기반 액추에이터(예: ERM 또는 LRA)와 달리, 압전 소자는 부유된 소자의 관성이나 공진에 의존하지 않습니다. 따라서 더 낮은 전력 소비와 더 빠른 정착 시간을 제공할 수 있습니다. 이러한 속성 덕분에 압전 소자는 에너지 효율과 폼 팩터에 대한 제약이 엄격한 배터리 구동형 또는 휴대용 시스템에 특히 적합합니다.

압전 소자의 슬림한 저높이 형상은 콤팩트한 기계적 통합을 용이하게 합니다. 이를 통해 엔지니어는 하나의 설계에 여러 개의 압전 액추에이터를 내장하여 순 햅틱 출력을 증폭하거나, 사용자 인터페이스 전반에 걸쳐 공간적으로 구분된 촉각 신호를 전달할 수 있습니다. 이와 같은 구성은 터치패드, 웨어러블 장치, 정전 용량 방식 터치 스크린과 같은 응용 분야에서 동작, 방향성 신호 또는 압력 변화를 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있습니다.

압전 액추에이터는 구동 신호 주파수, 진폭, 파형 측면에서 고도의 구성 가능성을 제공하여 다양한 피드백 텍스처 및 효과를 지원합니다. 또한 이 기술은 맞춤형 지름, 두께, 전압 정격, 실장 스타일을 비롯한 다양한 기계적 및 전기적 형식으로 제공되어 자동차, 의료, 산업, 소비자 가전 시장에 걸쳐 맞춤식 솔루션을 제공합니다.

압전 소자 설계 고려 사항

압전 기반 햅틱 피드백 시스템을 설계하려면 다음과 같은 주요 요소를 신중하게 고려해야 합니다.

• 구동 질량: 액추에이터의 힘을 관성 부하에 맞춰 효과적인 진동 전달을 보장합니다.
• 소자 유형: 전압, 변위, 크기 제약 조건에 따라 단층 또는 다층 소자 중 선택합니다.
• 기계식 엔벨로프: 액추에이터가 사용 가능한 공간과 실장 방향에 맞는지 확인합니다.
• 작동 축: 적절한 소자 형상을 선택하도록 이동 방향을 정의합니다.
• 전력 및 구동기: 시스템의 전원 공급 장치를 압전 소자의 정전 용량 부하에 맞추고 효율적인 여기를 위한 호환 가능 구동기를 선택합니다.
• 주파수 요구 사항: 최적의 촉각 피드백을 위해 소자의 공진 주파수 또는 원하는 대역폭을 목표로 지정합니다.
• 열 조건: 압전 소자의 작동 온도 범위가 시스템의 환경 조건과 일치하는지 확인합니다.

요약

효과적이고 사용자 친화적인 햅틱 피드백을 제품에 통합하려면 진동 강도, 응답 감도, 위치 정확도, 실장 면적, 전력 효율을 비롯한 액추에이터 성능을 신중히 평가해야 합니다. 압전 소자는 이러한 요구 사항에 매우 적합하며, 다양한 조건 범위에 걸쳐 정밀한 저전력 작동을 제공합니다. Same Sky의 압전 소자 포트폴리오는 다양한 크기 및 구성을 지원하므로 최신 전자 시스템의 촉각 피드백 및 진동 감지를 위한 다목적 솔루션으로 활용할 수 있습니다.